上油榨沟石灰石矿边坡治理及评价

吴乐乐 袁飞虎

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘学院；2.中国葛洲坝集团水泥有限公司)

上油榨沟矿区石灰石矿山北部6#界桩附近边坡出现2条裂缝，在后续的边坡巡检过程中，发现边坡开裂程度有扩大的迹象，对矿山正常生产以及工作人员的生命财产安全形成了潜在的安全隐患。为防止边坡崩塌、保证安全生产、防止安全事故发生，亟需对潜在边坡崩塌地质灾害进行积极治理。

1 工程概况

1.1 开裂形态及边界变形特征

边坡开裂主要为矿山开采切坡所致，潜在崩塌体的平面形态呈新月形，长约300 m，宽16 m左右，厚10 m左右，面积为5 400 m2，体积约19 200 m3，预测主崩方向193°。潜在崩塌体基岩倾向与坡向相同，崩塌体后缘已基本形成，暂未见侧缘形成。前缘位于开采临空面，为采矿切坡形成的10～15 m陡坎，边坡陡坎平面形态呈近直线型展布，陡坎坡度在70°以上。崩塌体后缘边界位于+348及+362 m平台上，6#矿界界桩点附近，向北距省界100 m左右。现发育2条拉张裂缝见图1。

图1 边坡裂缝

1#拉张裂缝距前缘陡坎15 m,裂缝长约17 m，宽0～10 cm，呈弧形，走向270°，出露标高为+358～+360 m，裂缝两侧向坡体前缘陡坎延伸。2#拉张裂缝距前缘陡坎15～22 m,裂缝整体长约26 m，宽0～20 cm，呈弧形，走向285°，出露标高为+368～+370 m，裂缝两侧向坡体前缘陡坎延伸。

潜在崩塌体成分主要为奥陶系下统水田河组(第四层) ，泥晶灰岩、粉晶灰岩及硅化晶质灰岩，夹花斑状泥晶含云质灰岩和亮晶、粉晶砂屑灰岩，岩体整体破碎，岩层产状为194°∠25°-49°。表层为第四系残坡积粉质黏土夹碎石覆盖，层厚0.2～2 m。

1.2 开裂区域地质水文特征

开裂区域基本为一向南倾斜的山坡地形，坡面斜长约700 m，高程为332～370 m，自然地形坡度为17°～22°，坡面整体连续，为顺层坡，岩层产状为30°～49°，岩体较为破碎。开裂区域紧邻F1断层，该断层由西向东纵贯全区，长约1 500 m，断层线略向南弯曲，走向83°～103°，与地层走向基本一致，断层破碎带宽2～4 m，断裂面倾角为57°～65°。

地下水类型主要为基岩岩溶裂隙水，赋存于岩层节理裂隙中，受大气降雨直接补给，该段岩体节理裂隙贯通性及延伸性较好，岩体呈碎裂-块裂状，地下水渗透性较好。由于边坡体标高均位于当地最低侵蚀基准面之上，区内虽有少量的岩溶裂隙滞水，但其来源主要是大气降水。

1.3 边坡开裂成因分析

1.3.1 自然因素

(1)地层结构。边坡呈斜坡陡坎地貌，前缘陡坎临空，为坡面岩体崩落失稳提供了空间条件；其次边坡体岩层节理裂隙发育，彼此切割，将岩体切割为碎裂-块裂状，降低岩体力学强度。此外，岩体裂隙结构面交线的倾向与坡面倾向夹角小于45°，倾角小于坡角。崩塌体紧邻F1断层，该断层由西向东纵贯全区， 断层线略向南弯曲，与地层走向基本一致，从岩层结构条件分析，边坡岩体结构不稳定。且灰岩表面溶沟、溶槽等岩溶地表形态发育，对局部边坡围岩起不到应有的支挡作用[1]。

(2)气象水文。矿山区域降雨主要集中在7—9月。本矿溶蚀裂隙浅部发育，降雨雨水不断下渗，软化岩土体，加速节理发展与贯通，并降低岩体的力学强度，从而加速坡体变形破坏发展。

1.3.2 人为因素

人类工程活动的作用规模相对于地质作用来说小很多，但其强度和速度远远超过地质作用，其结果往往会改变地质作用的形式，成为一种诱发因素，加速斜坡的演变进程[2]。

开发利用方案设计单级边坡坡度为70°，大于该区域岩层倾角54°及F1断层倾角56°；其次开裂边坡前缘采矿切坡改变了坡体自然形态，使坡体前缘形成临空陡坎，降低了坡体的稳定性，在采矿爆破震动作用下，引起岩体顺层滑动。

1.4 边坡稳定性

查阅矿山开发利用方案地质资料，岩(矿)体各向抗压强度相差不大，可见岩(矿)石的力学性质不但强度较高，而且比较均一；开裂区节理分布虽比较普遍，但节理面一般较平直，倾角为65°～72°，大部分闭合性较好，且沿节理常有方解石胶结或铁质薄膜附着，节理面具有一定强度，一般不会导致边坡失稳。断层分布于治理区边部，F1、F2出露于向斜北翼，走向与北侧边坡近于平行，大部分地段位于治理区之外，边坡产状与断层面一致，对边坡稳定影响较小。

综上所述，顺层开采、开采坡面角大于岩层自然倾角以及本地区降雨量丰富而加速节理发展与贯通是本次边坡开裂的主要因素。

2 边坡治理

2.1 治理方法

在充分掌握边坡开裂形成条件、发展规律、危害特点的基础上，利用科学的方法和手段，寻找边坡的稳定性与经济性之间的合理平衡[3]。本次治理方法选用坡率法，通过控制边坡高度和坡度，达到治理和消除崩塌地质灾害的目的，最终实现安全生产。

2.2 治理方案

由于治理区域岩体较为破碎，根据岩层产状单级坡比选用40°～45°。参考开发利用方案设计，单级坡高选用14 m，安全平台宽4 m。

工程主要集中在5#～7#界桩，+332 m水平以上。该区域最低点标高为+332 m，最高点标高为383.19 m，设计削坡起始高程为+332 m，按边坡坡面角45°放坡。削坡后坡顶线最高标高为+372 m，坡底线标高为+332 m，最高高差为40 m，最终帮坡角为37°～38°，共形成+346，+360 m 2个平台，平台宽4 m。削坡减载和最终边坡形成2个部分，预计削方量为84 850 m3，削方废石废土作为水泥配料用。工程治理示意见图2。

按露天中深孔施工大面积削坡部位，大面积削坡减载完成后，采用手风钻浅孔爆破对零星不规整地带进行处理，开挖深度小于5 m的局部，采用手风钻浅孔台阶爆破，最终边坡采用预裂爆破。预裂爆破能够降低主爆破孔爆破对预裂面以外岩体的松动和破坏，在减少爆破对预留边坡岩体的破坏、保持边坡的稳定性方面起着重要作用[4]。对于边坡顶部，因岩石风化破碎严重，分布大量松散块和孤立岩石，且赋存裂隙土夹层，采用挖掘设备清除表土层和植被，用凿岩机剔除全部孤立大块石，在边坡顶层按照设计要求喷射水泥混凝土材料。

在顶部修建截排水沟，拦截自然降水形成的水流进入坡体。根据原有的边坡和道路，确定边缘带的竖向连接方式，调整连接点的地面标高，确认地面排水口的位置，使削坡区域与周边地平连接自然，使排水、通道等方面的矛盾降到最低。

最终边坡台阶高度为14 m，边坡坡面角为45°，最终帮坡角为39°，安全平台宽4 m。

2.3 施工步骤及要求

施工步骤为表面清理→测量放线→土料开挖、堆存→爆破→削方→清渣→边坡检查、处理与验收→特殊问题处理。

2.3.1 表面清理

(1)植被清理主要为指定区域内的树木、树桩、树根、杂草、垃圾、废渣及其他有碍物。监理人专门指示成材树木的砍伐。

图2 削坡工程示意

(3)在植被的清理过程中须特别注意尽最大的努力保护清理区的天然植被。

(4)清理中的植被或其他物资须按照监理人的制定方法处理。

2.3.2 测量放线

依据设计坐标，使用全站仪逐点放出各角点位置，每个角点用木桩定位，并用白灰圈定开挖范围。测量工作完成后由监理工程师复核。

2.3.3 土料开挖及堆存

运用推土机汇集表层土，用推土机或装载机运至指定区域堆放。表土的堆放高度一般不超过2 m，以免将土压实，防止雨水冲刷。

随着运营时间的增加，杂散电流逐渐增加，当杂散电流累计到一定程度，且没有一个良好的电气通路及时回到变电所负极时，就会造成杂散电流四散流至轨道交通主体结构、附属结构以及公共设施管道，从而对其造成一定程度的腐蚀。

2.3.4 爆 破

选择预裂爆破方式，爆破后对爆破工作面及其附近进行检查，判定有无盲炮，撬除危石，若不能立即处理，加支护或设立标志，警告作业人员不要靠近。检查时间距放炮后至少20 min。

2.3.5 削 坡

(1)削坡必须符合设计图纸、文件的要求。

(2)开挖需预留施工道路，在下层开挖完成后，由反铲边退边挖清除。

(3)在局部坡面较长或地质条件较差的部位，主要采用反铲分层接力的方法开挖，挖掘次序从上到下，根据坡面长度不同,用2～3台反铲在作业面上同时开挖；采用机械与人工相结合的方法施工，削坡机械选用反铲、推土机、运矿卡车、潜孔钻、爆破器材运输车、运输人员和物资的轿卡等。

(4)削方工程基本完成后，根据各坐标桩标明该点削坡高度和设计高度数据，对场地进行找坡，保证场地内各处都基本达到设计的坡度和高度。

2.3.6 清 渣

(1)组织好作业点的次序，合理安排施工。

(2)先行处理作业点上部积渣，使积渣的堆积角小于及自然安息角，防止积渣坍塌伤人或设备。

2.3.7 边坡检查、处理与验收

开挖后及时对基础面尺寸和土体质量进行检查、整修和处理，检查分自检、监理检查和终检。削坡后坡面必须平整坚实，不得有突起、松动块体、虚土浮渣等。

3 数值模拟分析

强度折减法中边坡稳定的安全系数定义为使边坡刚好达到临界状态破坏时，对岩土体的抗剪强度进行折减的程度，即安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值[5-6]。本工程根据安全系数、位移图和应力图分析边坡稳定性。

3.1 模型的建立

本边坡为岩质边坡，长120 m，坡高40 m，坡脚为70°和45°(治理前后的边坡角)。岩体容重为26.8 kN/m3， 体积模量为9.6 MPa，黏聚力为0.39 MPa。模型分为2个矩形区域，按照控制点对每个区域利用brick单元建立网格，并进行分组后赋值，考虑到网格尺寸的一致性，本模型y方向只设置一个单元。

3.2 边界条件和外力设置

根据数值计算模型的需要，对边坡施加约束。边坡顶部为自由界面，底部采用固定约束，四周采用水平位移约束。岩土体的初始应力包括自重应力和构造应力，自重应力是存在于所有岩土体中，构造应力视地质条件而定[7]。根据现场调查和工程地质资料可知，原岩应力以自重应力为主，设置重力加速度为10 m/s2，方向垂直向下。本次计算采用摩尔-库伦本构模型。

3.3 数值分析结果

治理前后边坡数值模拟安全系数见图3。可知，治理前模型数值模拟安全系数为1.07；治理后计算安全系数为1.62。治理前，边坡稳定性不符合要求，可能产生失稳破坏，根据设计要求，采场边坡安全系数要大于储备系数(Fs=1.15)；治理后，在理论上满足边坡稳定性的要求，可认为该边坡处于较低的风险水平，治理方案可行。

图3 治理前后边坡数值模拟安全系数

治理后边坡模型位移等值线见图4。可看出，坡脚处区域为位移最大值2.75 cm，位移总体偏小，可认为坡体处于稳定状态。

图4 治理各边坡模型位移等值线

4 结 语

露天石灰石矿山边坡治理后的安全系数为1.62，满足设计对边坡稳定安全系数的要求；治理结束半年之内，未出现新的裂缝，未发生一起落石；且在日常管理中每天利用GPS进行位移监测，结果显示，监测点的位移基本无变化；治理后的边坡完整性和稳定性都达到了预定目标。针对矿区高边坡现状，通过数值模拟软件模拟边坡治理后的应力应变状态，评价当前模式下边坡的稳定性，为实际施工提供依据。实际工程与数值模拟相结合，为高陡边坡的治理提供参考。